JP2010520497A - Photonic crystal fiber and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
複数の押出し成形された非円形ケインを含むフォトニック結晶ファイバであって、押出し成形された非円形ケインのそれぞれが少なくとも1つの孔を備える。フォトニック結晶ファイバを製造する方法であって、ガラス材料を非円形の外断面を有するガラス管に加熱成形する工程、ガラス管を線引きして複数のケインを得る工程、ケインを積層してプリフォーム構造を生成する工程、および、プリフォーム構造を線引きしてフォトニック結晶ファイバを得る工程を含む。A photonic crystal fiber comprising a plurality of extruded non-circular canes, each of the extruded non-circular canes comprising at least one hole. A method of manufacturing a photonic crystal fiber, a step of thermoforming a glass material into a glass tube having a non-circular outer cross section, a step of drawing a glass tube to obtain a plurality of canes, a laminate of canes and a preform Generating a structure, and drawing a preform structure to obtain a photonic crystal fiber.
Description
本出願は、その内容を引用し、またその全体を参照により本書に組み込む、2007年2月28日に出願された米国仮特許出願第60/903,901号、タイトル「フォトニック結晶ファイバおよびそれを製造する方法」の利益を主張するものである。 This application is incorporated by reference and is incorporated herein by reference in its entirety, US Provisional Patent Application No. 60 / 903,901, filed February 28, 2007, entitled “Photonic Crystal Fiber and It Claims the benefit of "how to manufacture".
本発明は、フォトニック結晶ファイバおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a photonic crystal fiber and a manufacturing method thereof.
従来の光導波路型ファイバは、光損失、非線形性、群速度、分散、および偏光効果の間のバランスを呈している。しかしながら、フォトニック結晶ファイバ(フォトニックバンドギャップファイバなどを含む)は近年、光のパルスとそのバルク成分との間の非線形性光相互作用を向上させる効果的な手法により、関心をますます広範囲に広げてきた。フォトニック結晶ファイバは、ファイバ光通信、ファイバレーザ、非線形装置、ハイパワー伝送、高感度ガスセンサ、およびその他の領域において用途が見出されている。 Conventional optical waveguide fibers exhibit a balance between optical loss, nonlinearity, group velocity, dispersion, and polarization effects. However, photonic crystal fibers (including photonic bandgap fibers, etc.) have become increasingly popular in recent years due to effective techniques to improve nonlinear optical interactions between light pulses and their bulk components. It has spread. Photonic crystal fibers find use in fiber optic communications, fiber lasers, nonlinear devices, high power transmission, high sensitivity gas sensors, and other areas.
現在のフォトニック結晶ファイバの製造工程には、微細構造アレイを形成するための積層−延伸法の技術が含まれる。特に、積層−延伸法の工程においては、所望の巨視的な断面形状を生成するため、外側サポート管内の格子状アレイに多数のガラスキャピラリが配列される。このアレイはその後線引きされ、ファイバ内に組み立てられる。この積層−延伸法の工程は、手作業であるため比較的工程が遅く、1つのプリフォーム構造と別のものとが一貫していないといった問題がある。さらに工程の不整合性により、円形に成形されたキャピラリには、その溶融中および/または線引き中にしばしば位置ずれが発生し、ファイバ内に空隙や欠陥が発生する結果となっている。このような意図していない欠陥により、フォトニック結晶ファイバ内の光損失は著しく増加する。 Current photonic crystal fiber manufacturing processes include stack-stretch techniques for forming microstructured arrays. In particular, in the process of lamination-stretching, a large number of glass capillaries are arranged in a grid array in the outer support tube in order to generate a desired macroscopic cross-sectional shape. This array is then drawn and assembled into a fiber. The process of the lamination-stretching method is a manual process, so the process is relatively slow and there is a problem that one preform structure and another are not consistent. Furthermore, due to process inconsistencies, the circularly formed capillaries often undergo misalignment during melting and / or drawing, resulting in voids and defects in the fiber. Such unintentional defects significantly increase the optical loss in the photonic crystal fiber.
整合性および欠陥に伴う問題に加え、従来の工程では、キャピラリまたはプリフォーム構造の形状を変えることは非常に困難である。例えば、大半のフォトニック結晶ファイバは円形形状のファイバプリフォームから線引きされるが、近年では六角形形状での研究が行われている。六角形プリフォームの従来の作製工程には、CVDにより管を用意し、その後管の外径を研磨して六角形形状を生成する工程が含まれていた。この研磨された六角形管は、予備線引き(redraw)してキャピラリとすることができ、各キャピラリはその後巨視的なアレイの内部へ積層され、真空下で線引きされる。このような六角形の管を作製してプリフォーム構造を組み立てるのに時間や費用が必要となるといった問題だけでなく、組立工程中にキャピラリがよじれたり動いたりするとファイバ内に意図していない空隙が生成されるという問題も生じる。この場合も、意図していない空隙や欠陥により光損失が増加する。 In addition to the problems associated with consistency and defects, it is very difficult to change the shape of the capillary or preform structure in conventional processes. For example, most photonic crystal fibers are drawn from circular fiber preforms, but recently hexagonal studies have been conducted. The conventional manufacturing process of the hexagonal preform includes a process of preparing a tube by CVD and then polishing the outer diameter of the tube to generate a hexagonal shape. This polished hexagonal tube can be predrawn into capillaries, where each capillary is then laminated into a macroscopic array and drawn under vacuum. Not only is it time consuming and expensive to assemble such a hexagonal tube to assemble the preform structure, but also unintended voids in the fiber if the capillary is kinked or moved during the assembly process. There is also a problem that is generated. In this case as well, light loss increases due to unintended voids and defects.
したがって、欠陥が少なく、再現性よく作製可能な特有の幾何学的形状を有する高品質なフォトニック結晶ファイバが必要とされている。 Therefore, there is a need for a high quality photonic crystal fiber having a unique geometric shape that has few defects and can be produced with good reproducibility.
本発明は、問題や欠点に取り組み、かつ取り除くこと、あるいは従来のフォトニック結晶ファイバおよびその製造方法を改善することを意図している。 The present invention is intended to address and eliminate problems and shortcomings, or to improve upon conventional photonic crystal fibers and methods of manufacturing the same.
これを達成するために、本発明の一実施の形態は、フォトニック結晶ファイバを製造する方法であって、ガラス材料を非円形の外断面を有するガラス管に加熱成形する工程、ガラス管を線引きして複数のケインを得る工程、ケインを積層してプリフォーム構造を生成する工程、および、プリフォーム構造を線引きしてフォトニック結晶ファイバを得る工程、を含むことを特徴とするフォトニック結晶ファイバを製造する方法を含む。 In order to achieve this, an embodiment of the present invention is a method of manufacturing a photonic crystal fiber, the method comprising thermoforming glass material into a glass tube having a non-circular outer cross section, drawing the glass tube. A step of obtaining a plurality of canes, a step of laminating the canes to form a preform structure, and a step of drawing the preform structure to obtain a photonic crystal fiber. Including a method of manufacturing.
上記をさらに達成するために、本発明の一実施の形態は、フォトニック結晶ファイバを製造する方法であって、酸化物基準の重量百分率で表して、55%〜75%のSiO2、5%〜10%のNa2O、20%〜35%のB2O3、および0%〜5%のAl2O3よりなる組成を有する前駆体ガラス材料を押出ししてガラス管を得、このガラス管がこの管の軸に沿って延在する複数のチャンネルを有する工程、ガラス管を溶出し、重量で少なくとも90%のシリカを含む多孔質ガラス管を得る工程、高密度化されたガラスを形成するために多孔質ガラス管をこのガラス管内の孔が崩壊するように加熱し、高密度化されたガラス管を得る工程、高密度化されたガラス管を線引きし、複数のケインを得る工程、ケインの積層部材を形成し、ケインそれぞれがこの積層部材内の隣接ケインと直接に接する工程、および、積層部材を線引きし、フォトニック結晶ファイバを得る工程、を含むことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ製造する方法を含む。
To further achieve the above, an embodiment of the present invention is a method of producing a photonic crystal fiber, expressed in terms of weight percent on the oxide basis, 55% to 75% of
上記をさらに達成するために、本発明の一実施の形態は、フォトニック結晶ファイバプリフォーム構造であって、複数の押出し成形された非円形ケインを備え、押出し成形された非円形ケインそれぞれが、このケインの軸に沿って延在する少なくとも1つのチャンネルを備えていることを特徴とする、フォトニック結晶ファイバプリフォーム構造を含む。 In order to further achieve the above, an embodiment of the present invention is a photonic crystal fiber preform structure comprising a plurality of extruded non-circular canes, each extruded non-circular cane, A photonic crystal fiber preform structure comprising at least one channel extending along the cane axis is included.
本明細書は、本発明を具体的に示しかつ明確に主張する請求範囲を最後に記すが、これは添付の図面とともに例示される以下の説明から、より理解されるであろうと考えられる。 The specification concludes with claims that particularly point out and distinctly claim the invention, which will be better understood from the following description, illustrated in conjunction with the accompanying drawings.
図面で説明される実施の形態は、実際の実例であって、請求の範囲により画定される本発明を限定することを意図したものではない。さらに、図面および本発明の個々の特徴は、詳細な説明を考慮するとより十分に明らかになり、また理解されるであろう。 The embodiments illustrated in the drawings are actual examples and are not intended to limit the invention as defined by the claims. Furthermore, the individual features of the drawings and the present invention will become more fully apparent and understood in view of the detailed description.
指示のない限り、本明細書および請求範囲において使用される構成要素の重量パーセント、寸法、および特定の物理的特性値のような全ての数は、全ての場合において「約」という用語により修飾されると理解されたい。また、本明細書および請求項で使用される正確な数値は、本発明の付加的な実施形態を構成するものであることも理解されたい。これまで、実施例において開示される数値の正確性を確実にするための努力がなされてきた。しかしながら、任意の測定数値には本質的に、各測定技術に見られる標準偏差に起因する、ある程度の誤差が含まれる可能性がある。 Unless otherwise indicated, all numbers, such as weight percentages, dimensions, and specific physical property values of components used in the specification and claims, are qualified in all cases by the term “about”. I want you to understand. It should also be understood that the exact numerical values used in the specification and claims constitute additional embodiments of the invention. So far, efforts have been made to ensure the accuracy of the numerical values disclosed in the examples. However, any measured value may inherently contain some error due to the standard deviation found in each measurement technique.
本発明の記述および請求項で用いられる単数形は、「少なくとも一つ」を意味し、明確にこれに反する指示がなければ「唯一つ」に限定されるべきではない。従って、例えば「ケイン」の引用は、文脈が明らかに別のことを指示していない限り、2つ以上のケインを有する実施形態を含む。本明細書で用いられる、構成要素の「wt%」すなわち「重量パーセント」や「重量によるパーセント」は、特に反する記述がない限り、その構成要素が含まれる組成物すなわち製品の総重量に基づくものである。本明細書の全ての百分率は、特記しない限り重量によるものである。 The singular forms used in the description and claims of the present invention mean “at least one” and should not be limited to “one and only one” unless explicitly contradicted. Thus, for example, reference to “a cane” includes embodiments having more than one cane, unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, “wt%” or “weight percent” or “percent by weight” of a component is based on the total weight of the composition or product in which the component is included, unless otherwise stated. It is. All percentages in this specification are by weight unless otherwise specified.
ここでより詳細に記載するが、本発明者は、非円形の外断面を有する多孔質ガラス管を加熱成形または押出し成形する工程を開発してきた。形成された非円形管は、より小さな径の管へと線引きし、プリフォーム構造を造るために一緒に積層することができる。各管の外径は、プリフォーム構造アレイにこの管を一貫して整列および積層するため、他の管の幾何学的形状と一致する形状とすることもできる。その結果形成される作製物を(所望であれば)ケインへと線引きし、フォトニック結晶ファイバへと線引きするために外側管で被覆することもできる。ここに記載された工程により製造されるフォトニック結晶ファイバは、従来のフォトニック結晶ファイバと比較して、特有の幾何学的特性および伝送特性を有する。 As described in more detail herein, the inventor has developed a process for thermoforming or extruding a porous glass tube having a non-circular outer cross section. The formed non-circular tubes can be drawn into smaller diameter tubes and laminated together to create a preform structure. The outer diameter of each tube can also be shaped to match the geometry of the other tubes in order to consistently align and laminate the tubes in the preform structure array. The resulting product can be drawn into a cane (if desired) and coated with an outer tube to draw into a photonic crystal fiber. Photonic crystal fibers manufactured by the processes described herein have unique geometric and transmission characteristics compared to conventional photonic crystal fibers.
本明細書で使用される「フォトニック結晶ファイバ」という用語には、フォトニック結晶ファイバ、フォトニックバンドギャップファイバ(バンドギャップ効果により光を閉じ込めるフォトニック結晶ファイバ)、ホーリーファイバ(断面に空孔を有するフォトニック結晶ファイバ)、空孔付加型ファイバ(空孔の存在により修正された従来の高屈折率コアにより光を導くフォトニック結晶ファイバ)、および/またはブラッグファイバ(多層の誘電体または金属の膜の同心リングにより形成されるフォトニックバンドギャップファイバ)が含まれることは理解されるであろう。 As used herein, the term “photonic crystal fiber” includes photonic crystal fibers, photonic band gap fibers (photonic crystal fibers that confine light by the band gap effect), holey fibers (having holes in the cross section). Photonic crystal fibers), hole-added fibers (photonic crystal fibers that guide light through a conventional high refractive index core modified by the presence of holes), and / or Bragg fibers (multilayer dielectric or metal It will be understood that a photonic band gap fiber formed by concentric rings of films is included.
一実施の形態において、本発明の工程で使用されるガラス材料は、シリカ含有量が高いガラス群から選択されるものであってもよい。一般にこのようなガラスに関連する特性は、幾何学的に複雑な構造体において望ましいと考えられる。例えば、シリカ含有量が高いガラス前駆体は通常、軟化温度が1500℃前後またはそれ以上であり、熱膨張性は低くUV透過性は高い。一実施の形態において、このガラス前駆体/材料には、ニューヨーク州コーニング、コーニング社製のバイコール(VYCOR;登録商標)製品の前駆体を含むこともできる。一般にバイコール(登録商標)はアルカリホウケイ酸塩ガラスとして始まり、アルカリホウケイ酸塩ガラスを少なくとも90%(例えば約95〜96%)のシリカ構造体へと変換する処理工程に通される。この約95〜96%のシリカ構造体は、多孔質体もしくは強化されたガラス体となり得る。 In one embodiment, the glass material used in the process of the present invention may be selected from a glass group having a high silica content. In general, such glass-related properties are considered desirable in geometrically complex structures. For example, a glass precursor with a high silica content usually has a softening temperature of around 1500 ° C. or higher, a low thermal expansion and a high UV transmission. In one embodiment, the glass precursor / material may also include a VYCOR® product precursor from Corning, Corning, NY. Generally, Vycor® begins as an alkali borosilicate glass and is subjected to a processing step that converts the alkali borosilicate glass to at least 90% (eg, about 95-96%) silica structure. This about 95-96% silica structure can be a porous or tempered glass body.
バイコール(登録商標)製品およびそのガラス前駆体は、コーニング社の米国特許第2,106,744号明細書(´744特許)に記載されており、その全てが参照することにより本明細書に組み込まれる。そこで開示されているように、三成分系(R2O−B2O3−SiO2)のある領域のガラス組成は、適切な熱処理により2つの相に分離される。その相の一方はシリカを非常に多く含み、これに対し他方の相はアルカリおよび酸化ホウ素を非常に多く含む。´744特許は、75%のSiO2、5%のNa2O、および20%のB2O3の前駆体組成を開示している。しかし、本書に記載された方法に使用する他の前駆体組成には、例えば、60.82%のSiO2、7.5%のNa2O、28.7%のB2O3、2.83%のAl2O3、および0.15%のClの組成が含まれ、このような組成の軟化温度は670℃前後であり、熱膨張係数は52.5×10−7/K前後である。当然のことながら、(重量パーセントで)55〜75%前後のSiO2、5〜10%のNa2O、20〜35%のB2O3、0〜5%のAl2O3、0〜0.5%のClといった組成の範囲を有する任意の他のシリカガラス組成が、本発明の方法に使用されるものとして考えられていると理解されたい。 Vycor® products and glass precursors thereof are described in Corning US Pat. No. 2,106,744 (the '744 patent), all of which are incorporated herein by reference. It is. As disclosed therein, the glass composition in a region of the ternary system (R 2 O—B 2 O 3 —SiO 2 ) is separated into two phases by appropriate heat treatment. One of the phases is very rich in silica, whereas the other phase is very rich in alkali and boron oxide. The '744 patent discloses a precursor composition of 75% SiO 2 , 5% Na 2 O, and 20% B 2 O 3 . However, other precursor compositions used in the methods described herein include, for example, 60.82% SiO 2 , 7.5% Na 2 O, 28.7% B 2 O 3 , 2. A composition of 83% Al 2 O 3 and 0.15% Cl, the softening temperature of such a composition is around 670 ° C., and the thermal expansion coefficient is around 52.5 × 10 −7 / K. is there. Of course, (weight percent) 55-75% before and after the SiO 2, 5 to 10% of Na 2 O, 20 to 35% of B 2 O 3, 0~5% of Al 2 O 3, 0 to It should be understood that any other silica glass composition having a composition range of 0.5% Cl is contemplated for use in the method of the present invention.
本明細書に記載されているような高シリカガラスおよび/または比較的低い軟化温度を有するガラス(例えば軟化ガラス)は、本発明による工程において使用されるのに理想的であると考えられる一方、本発明はこれに限定されるものではなく、本明細書に記載される高品質なフォトニック結晶ファイバを得るために様々なガラスが使用可能であることを理解されたい。 While high silica glasses as described herein and / or glasses with relatively low softening temperatures (eg, softened glass) are considered ideal for use in the process according to the present invention, It is to be understood that the present invention is not so limited and that various glasses can be used to obtain the high quality photonic crystal fibers described herein.
フォトニック結晶ファイバを製造するための代表的な工程段階が図1および2A〜2Cに概略的に示されている。一実施の形態において金型20(図1に底面図が示されている)は、六角形の形状を備え(例えば金型の周辺は6つの辺22を有する)、37個のピン24アレイを含むことができる。この六角形の外周(例えば、成形形状26の外径)は、非円形管を製造するために構成された非円形金型の一例である。しかしながら金型20は、形状を形作る任意の非円形の外周を有することができると理解されたい。本明細書に使用される「非円形」とは、いくつか例を挙げると、三角形、四角形、五角形、多角形、平行四辺形や台形、または任意の非対称の形状を含むことができる。後述するが、管を所望の形状に加熱成形すなわち押出し成形することができる能力により、製造効率を改善しかつ結果として生じるファイバの特性を向上させる手法で管が積層され、一方欠陥は最小限に抑えられる。
Exemplary process steps for manufacturing photonic crystal fibers are schematically illustrated in FIGS. 1 and 2A-2C. In one embodiment, the mold 20 (the bottom view is shown in FIG. 1) has a hexagonal shape (eg, the periphery of the mold has six sides 22) and has an array of 37 pins 24. Can be included. This hexagonal outer periphery (for example, the outer diameter of the molded shape 26) is an example of a non-circular mold configured to produce a non-circular tube. However, it should be understood that the
図1の金型20は、37個のピン24を有するものとして図示されている。37という数は六角形構造の空間利用の観点から、一致する数のチャンネル(channel;例えば、図2Aにおける符号34)を形成するために最も効果的な数であると考えられる。しかし、他の実施形態において六角形の金型は、一致する数のチャンネル34を管30の軸に沿って形成するために、1個、7個、19個、37個、55個、79個などのピン(六角対称を考慮したあらゆる数)を有していて差し支えない。図示のように、管30内のチャンネルおよび多数のケイン40の空間周期性(例えば、最も近接したチャンネルの距離は同一であり、また、周辺に存在するものを除き全てのチャンネルは本質的に同じ数の近接チャンネルを有する)は基本的に同じである。さらに、積層部材50内の空間周期性は、個々のケインにおけるものと基本的に同じである。
The
他の非円形金型のピン数は、用途ごとに、また管の所望の外周の対称性によって変えてもよい。しかし、製造された管30中のチャンネルが多くなるとトンネリング損失は低くなると考えられる。さらに、短波長用途が望まれる場合には、ピッチを狭くするという要求に対応するためにチャンネルの数を増加させてもよい。さらに、図1の金型20のピン24は、(結果的に管30のチャンネル34と同じ)円形形状で例示されているが、金型20内部の全体形状と同様に、ピン24(および結果的にチャンネル34)の形状は、いくつか例を挙げると、三角形、四角形、五角形、多角形、平行四辺形または台形などの任意の形状を含むことができると理解されたい。さらに後述するように、意図的な欠陥(defect)を所望する場合などには、ピン/チャンネルの全てが他のピン/チャンネルと同じサイズである必要はない。例えば、図1に例示されているように、六角形の各ポイントでのピン24を周辺部分のピンよりも大きくしてもよい(例えば、そうしなければ押出し成形中に外側角部が歪んでしまうような押出しされたチャンネルの幾何学的形状を改善するために)。
The number of pins in other non-circular molds may vary from application to application and depending on the desired perimeter symmetry of the tube. However, it is believed that the tunneling loss decreases as the number of channels in the manufactured
特に、ここで記述および意図されたガラスの使用を通して、ガラス管は、フォトニック結晶ファイバの製造を改善すると考えられる任意形状(外周/外径および孔形状の両方に関して)を有するように押出しすることが可能であり、これに対し従来の工程での製造および積層では、ガラスキャピラリは円形に限られていた。例えば、図3A〜3Cを参照すると、本発明の代表的な実施形態により製造されるガラス管130の画像が示されている。図3Aにおいてガラス管130は、六角形の外断面/外周/外径132および単一の六角形孔134を備えている。この後、ガラス管130を以下に詳細に記載される方法によりケイン140(図3B参照)へと予備線引きし、積層部材150(図3C参照)へと配列してもよい。この代表的な実施形態により、本発明で使用するための様々な幾何学的に特有の形状を有する管を製造する際の融通性が示され、これが製造可能性およびファイバ特性の両方における長所につながる。
In particular, through the use of the glass described and intended herein, the glass tube is extruded to have any shape (in terms of both outer / outer diameter and hole shape) that would improve the production of the photonic crystal fiber. In contrast, the glass capillaries are limited to a circular shape in the manufacturing and lamination in the conventional process. For example, referring to FIGS. 3A-3C, images of a
図1および図2A〜2Cを再び参照すると、一実施の形態では、高温ガラスの金型20への押出し成形から工程を始めることができる。押出し成形の前に、ガラス材料を1500℃前後の温度で融解してもよい。ガラスを室温で冷ました後、押出しを可能とするために700℃〜900℃前後まで再加熱する。加熱されたガラスは、直径4インチ(約10cm)のブール(boule)に対し約110kPa〜1.45MPa(16〜210psi)の圧力で、金型20に通すよう押圧される。押出しされた管30(概略上面図を示す)は、金型20と一致した形状となる。
Referring again to FIG. 1 and FIGS. 2A-2C, in one embodiment, the process can begin with extrusion of high temperature glass into a
使用されるガラス材料に応じて、この段階もしくは後の段階で管30に追加の処理を施すこともできる。例えば、前述の前駆体ガラスを使用する際には、押出し成形後にガラスに加熱処理を施してもよい。前駆体ガラスの加熱処理は、580℃前後で行ってもよい。加熱処理中には、ガラス内でホウ素・アルカリ群(アルカリと酸化ホウ素を非常に多く含む)とシリカ・酸素群(シリカを非常に多く含む)の相分離が起こる。加熱処理されたガラス材料には、その後アルカリホウ酸塩を取り除く溶出工程を施すこともできる。この溶出工程はHNO3を用いて多段階で行うことができる(すなわち、1mm厚のサンプルに対しては45時間以上行い、6mm厚の大きなサンプルでは30日までの間行う)。多孔性を崩壊し一層強固な物質(例えば高密度化されたガラスで形成されるガラス構造体)とするために、溶出工程60後に少なくとも30分間1225℃とすることで、ガラス構造体は強固になる。
Depending on the glass material used, additional treatment can be applied to the
ここに記載された加熱処理(例えば押出し成形に関連する処理)は、前述のガラスの相分離を妨げるものではないことが分かっている。従って、本発明のガラス前駆体の処理方法の多くは実現可能なものである。例えば、押出し成形した後に加熱処理するよりもむしろ、別の実施形態においては、ガラス前駆体をまず加熱処理した後、続けて押出し成形を行ってもよい。ここに記載された、加熱処理が施されたガラス前駆体に続けて押出し成形を行うことによって、相分離が妨げられることはないと考えられる。同様に、さらに別の実施形態においては、押出し成形の工程中に相分離が始まるようガラス前駆体に加熱処理を施してもよく、こうすると二つの工程は一本化される。 It has been found that the heat treatment described herein (eg, treatment associated with extrusion) does not interfere with the glass phase separation described above. Accordingly, many of the glass precursor treatment methods of the present invention are feasible. For example, rather than extruding and then heat treating, in another embodiment, the glass precursor may be first heat treated and then extruded. It is believed that the phase separation is not hindered by performing extrusion molding following the heat treated glass precursor described herein. Similarly, in yet another embodiment, the glass precursor may be heat treated so that phase separation begins during the extrusion process, which unifies the two steps.
前述のガラス前駆体(例えばR2O−B2O3−SiO2の前駆体)に適用されるこれらの工程により、相互接続された1〜6nm前後サイズの相分離されたネットワーク構造を有するガラス構造体が形成される。前述の工程の結果、軟化温度は670℃前後(ガラス前駆体)から1500℃(ガラス基板)へと上昇する。さらに、この段階でのガラス構造体は多孔質(体積比28〜30%)であり、約1nmから約12nmの大きさで平均約5nm〜6nmの孔を有する。さらに、そのガラス構造体は、重量比で少なくとも90%から約96%のシリカを含む(溶出後には通常ガラス構造体に4%の残留ホウ素が存在するため96%のシリカとなる)。このようなガラス構造体のUV透過性は高く、熱膨張性は低く、また軟化温度は高い。例えば、このようなガラスは強化されると、約230nmから350nmで、約80%/mmから約100%/mmの範囲の透過性を有する。当然のことながら、前述したように、使用されるシリカガラスに応じて、処理に任意の数の工程を含んでもよいし含まなくてもよい。 Glass having a phase-separated network structure around 1-6 nm interconnected by these steps applied to the glass precursors described above (eg, precursors of R 2 O—B 2 O 3 —SiO 2 ) A structure is formed. As a result of the aforementioned steps, the softening temperature increases from around 670 ° C. (glass precursor) to 1500 ° C. (glass substrate). Furthermore, the glass structure at this stage is porous (volume ratio 28-30%) and has pores with a size of about 1 nm to about 12 nm and an average of about 5 nm to 6 nm. In addition, the glass structure contains at least 90% to about 96% silica by weight (usually 96% silica after elution due to the presence of 4% residual boron in the glass structure). Such a glass structure has high UV transparency, low thermal expansibility, and high softening temperature. For example, when such glass is tempered, it has a transparency in the range of about 80% / mm to about 100% / mm at about 230 nm to 350 nm. Of course, as described above, the treatment may or may not include any number of steps depending on the silica glass used.
図2A〜2Cを参照すると、形成および潜在的処理を終えた後、管30を予備線引きしてケイン40とすることができる(例えば、線引き比2:1から100:1の間)。一実施の形態において、管30の直径は約3インチ(約7.5cm)、長さは約4フィート(約120cm)である。しかしながら、様々な径や長さが意図されており、所望のケイン40のための線引き比に依存する可能性がある。例えば、ケインは一般に1mmから20mmの間へと線引きされる。管構造体に存在するチャンネルが多くなると、どの程度小さくケインを予備線引きするべきかに関して影響を与えるかもしれない。当然のことながら、ケインが大きくなると、積層部材を形成するために必要なケインの数は少なくなる(詳細に後述する)。
Referring to FIGS. 2A-2C, after formation and potential processing,
引続き図2A〜2Cを参照するが、いったんケイン40が予備線引きされて切断されると、ケインはアレイに、すなわち積層部材50内に配列される。この積層部材50はその後、プリフォーム構造62を形成するために外側クラッド管60内に配置される。図示のように、積層部材50には54個のケインが配列され、1996孔のアレイ(54ケイン×37チャンネル/ケイン)が製造される。同じ数のチャンネルを達成するために、従来の技術では、少なくとも3から6倍の数のキャピラリを、さらにある用途では、1996個のキャピラリを積層する必要があったであろう。このより大きな構造体で多数のものを製造する能力により、組立ておよび積層に必要とされるケインの総数は減少し、このためプリフォーム、最終的にはここに記載されるようなファイバ、における不整合性が低減される。さらに、より大きな管を積層部材内に配置するため、工程に要する時間が短縮し効率が上がる。
With continued reference to FIGS. 2A-2C, once the
また、各ケインの六角形(非円形)形状により隣接するケインがぴったりと一致するため、ケイン間に必要以上の空隙を設けずにケインを積層して一体化させることができる。積層部材50内のチャンネルの空間周期性は、基本的に個々のケインにおけるものと同じである。また、ファイバプリフォームを形成する際に重要な要素は、プリフォームの長さを通じての整合性および真直度である。しばしば位置ずれや間隙が生じていた従来の積層工程とは対照的に、ここに記載された工程では、管の積層部材内への配列およびクラッド管内での配列を簡潔に行うことができる。整合するよう成形された、より大きく強固なケインを用いることにより、位置ずれの可能性はさらに減少する。その結果、ここに記載された工程で製造されたファイバプリフォームは、より一貫して整列され、ファイバプリフォームの長さを通じて真っ直ぐになる。ここに記載されるように管を簡潔に配列することにより、孔アレイが正しい形状となっているか確認するために全てのケインおよびファイバの長さを調べる必要がなくなり、工程の効率が上がる。
In addition, since the adjacent canes exactly match each other due to the hexagonal (non-circular) shape of each cane, the canes can be laminated and integrated without providing an unnecessary gap between the canes. The spatial periodicity of the channels in the
さらに、ここに記載された工程で形成されたアレイにより、制御可能な空気充填率および細かい孔間ピッチを有するファイバを線引きする能力が促進される。特に、押出し成形を通してケイン内の任意の位置に(さらに制御可能なサイズで)多数のチャンネルを配置することが可能であり、またケイン間をぴったりと一致させることによりケイン間の空隙が最小限に抑えられるため、フォトニック結晶ファイバにおける空気充填率および細かいピッチをはっきりと確認することができ、しかるべく製造することができる。所望の空気充填率および細かいピッチを制御および/または予知する能力により、従来の工程で一般的に必要とされるエッチング量を著しく低減することもできる。 In addition, the array formed by the process described herein facilitates the ability to draw fibers with controllable air fill and fine inter-hole pitch. In particular, it is possible to place a large number of channels at any location within the cane (with a more controllable size) through extrusion and to minimize gaps between the canes by closely matching the canes Therefore, the air filling rate and the fine pitch in the photonic crystal fiber can be clearly confirmed and can be manufactured accordingly. The ability to control and / or predict the desired air fill rate and fine pitch can also significantly reduce the amount of etching typically required in conventional processes.
図4A〜4Bを参照すると、管、予備線引きされたケイン、および積層部材の別の実施形態が例示されている。例えば図4Aを参照すると、管230は、ここで記述された工程により鋸歯状の外周232を有するように押出し成形されたものである。図4Aの管230は鋸歯状の外周を有するが、外周の最も外側の点をなぞると六角形が生じるであろうことから、全体の断面/外周/外径は、ここでも六角形の形状を成しているとみなすことができる。図4Aに示したような管230が予備線引き240され、積層250されると、管の鋸歯状端部は、パズルのように互いにぴったりと一致する。このような手法で管230を設計すると、各管(さらに最終的には全積層部材)の間の表面領域を大幅に減少することができる。同様に4Bは、ここで記述された工程によって外周に複数の半円332を有するよう押出し成形された管330の、さらに別の実施形態を例示している。ここでも、外周の最も外側の点をなぞると六角形が生じるであろうことから、全外周すなわち外径は依然として六角形の形状を成しているとみなすことができる。図4Bの管330が予備線引き340され、積層350されると、ケイン間でチャンネルを追加形成するように半円が合わさり、表面領域は減少する。図2〜4に示されたように、管および積層部材(および最終的にはフォトニック結晶ファイバ)の実施形態の多くは、ここに記載された工程を通して製造することができる。
4A-4B, another embodiment of a tube, a pre-drawn cane, and a laminated member is illustrated. For example, referring to FIG. 4A, the
再び図2A〜2Cを参照すると、積層部材50は中央チャンネル56すなわち空隙を有して形成される。他の積層部材の実施形態は、中央チャンネル56すなわち他の意図的な孔や中央チャンネルを有していないかもしれないが(例えば、図3A〜3Cおよび図4A〜4Bの積層部材150、250および350)、図2A〜2Cの中央チャンネルは光伝播のために意図的な欠陥を生成する。管を押出し成形する際の融通性により、管30の内部すなわち積層部材50の内部の任意の位置に(図2A〜2Cに例示されるように管を除去することによって)、孔すなわち欠陥を意図的に生成できることが理解されるであろう。さらに、図2A〜2Cに示したように、また上述したように、特に所望のバンドギャップを有するファイバに対し性能を高めると考えられている任意の幾何学形状で、中央チャンネル56を設計することができる。
Referring again to FIGS. 2A-2C, the
所望であれば、積層部材50をクラッド管60に挿入する前に、積層部材のケイン40を融合してもよい(結束されていない管をクラッド管内に配置して、後にその構造体の予備線引き中に融合するのとは対照的に)。この工程では、ケインの整列を保持するため、難溶性の治具を用いてアレイ内へケインを積層することができる。この治具は、ケインにわずかな圧力をかけるためその縁間にわずかな間隙を有する、2つの四角い外側片および六角形の内側片とすることができる。この治具およびケインを加熱炉内に設置し、ケインの形状を変形させずにケインを融着する温度まで加熱することができる。所望であれば、治具の上に錘を配置することおよび/または2つの治具片の間の間隙を広くすることにより、ケインに圧力を加えることができる。
If desired, the
図2A〜2Cに関して上述したように、いったんケインが予備線引きされ切断されると、このケインを微細構造アレイ内すなわち積層部材内に配列してもよい。この積層部材は、その後プリフォーム構造を形成するために外側クラッド管内部に配置される。一実施の形態においては、スリーブすなわち管の体積(例えば、スリーブの内側表面と、スリーブの中心軸に垂直な、スリーブ端部の断面とによって画定される、直にスリーブ内側の自由空間の体積)の少なくとも90%をケインが占有する。また、一実施の形態においては、空の中央チャンネルを除いた全てのケイン間の任意の空き空間が、積層部材の全体積の多くても10%となるようにケインを積層することができる。プリフォームをその後、予備線引き70して第2ケイン80とし、ファイバへと線引きするために別の管80で覆ってもよい。所望であれば、プリフォーム構造を直接フォトニック結晶ファイバへと線引きすることもできる。ここに記載された工程の結果、ファイバプリフォームを生成する際により大きなケインを使用すれば、より多くのファイバをプリフォームから線引きすることができる。この能力によりファイバの生産量は増加する。
As described above with respect to FIGS. 2A-2C, once the cane has been predrawn and cut, the cane may be arranged in a microstructured array, ie, a laminated member. This laminated member is then placed inside the outer cladding tube to form a preform structure. In one embodiment, the volume of the sleeve or tube (eg, the volume of free space directly inside the sleeve defined by the inner surface of the sleeve and the cross-section of the sleeve end perpendicular to the central axis of the sleeve). Kane occupies at least 90%. Further, in one embodiment, the canes can be stacked such that an arbitrary empty space between all the canes excluding the empty central channel is at most 10% of the total volume of the stacked members. The preform may then be pre-drawn 70 into a
図5A〜5Cを参照すると、クラッド管の前にガラス管内に積層部材を配置する別の実施形態が例示されている。この工程では、管を押出し成形し、さらに前述したようにケイン440へと予備線引きすることができる(図5A〜5Cに示されるケイン440は1つの孔と六角形の外形を含むことに注意する)。カバー管443は、所望の数の成形されたケイン440を受け入れるよう形成された内径444を有するように、その後押出し成形してもよい。そのカバー管は、積層部材50と同様にガラス材料、または任意の他の材料からなるものとすることができる。カバー管443をその後切断して第1および第2の部材445および446とし、研磨工程を施してもよい。ケイン440をカバー管446内に積層してもよい。ケイン440およびカバー管443の内径444の形状により、ケイン440は、カバー管446内に正確に収めることができる。いったんケインが積層されると、第1部材445を第2部材446と結合してカバー管結合447を形成し、その後クラッド管460内に配置することができる。この構造体をケイン470へと予備線引きし、ファイバプリフォーム490を成形した後、フォトニック結晶ファイバ500へと線引きしてもよい。
Referring to FIGS. 5A-5C, another embodiment is illustrated in which a laminated member is placed in a glass tube before a cladding tube. In this step, the tube can be extruded and further pre-drawn into the
本発明によるフォトニック結晶ファイバおよびこれを製造する方法は、上述の実施形態に限られるものではないことは当然のことである。多くの代替案、変形例および変更例が、上記教示の当業者には明らかになるであろう。例えば、本発明によるガラス材料は、多くの構造体を製造するために有用な多くのガラスおよび前駆体を含むものとしてもよく、またファイバプリフォームを組み立てるためには種々の押出し管を使用することができる。従って、代替となる実施形態のいくつかを具体的に記述したが、一般的な当業者によって他の実施形態が明白に、すなわち比較的容易に開発されるであろう。 Of course, the photonic crystal fiber and the method of manufacturing the same according to the present invention are not limited to the above-described embodiments. Many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art of the above teachings. For example, a glass material according to the present invention may contain many glasses and precursors useful for making many structures, and use various extruded tubes to assemble fiber preforms. Can do. Thus, although several alternative embodiments have been specifically described, other embodiments will be apparent, that is, relatively easily developed by those of ordinary skill in the art.
20 金型
24 ピン
30,130,230,330 管
34 チャンネル
40,140,440,470 ケイン
50,150,250,350 積層部材
60,460 クラッド管
62 プリフォーム構造
490 ファイバプリフォーム
500 フォトニック結晶ファイバ
20 Mold 24
Claims (10)
ガラス材料を非円形の外断面を有するガラス管に加熱成形する工程、
前記ガラス管を線引きして複数のケインを得る工程、
前記ケインを積層してプリフォーム構造を生成する工程、および、
前記プリフォーム構造を線引きしてフォトニック結晶ファイバを得る工程、
を含むことを特徴とするフォトニック結晶ファイバを製造する方法。 A method of manufacturing a photonic crystal fiber comprising:
Thermoforming a glass material into a glass tube having a non-circular outer cross section;
Drawing the glass tube to obtain a plurality of canes;
Laminating the cane to produce a preform structure; and
Drawing the preform structure to obtain a photonic crystal fiber;
A method of manufacturing a photonic crystal fiber comprising:
酸化物基準の重量百分率で表して、55%〜75%のSiO2、5%〜10%のNa2O、20%〜35%のB2O3、および0%〜5%のAl2O3より実質的になる組成を有する前駆体ガラス材料を押出ししてガラス管を得、該ガラス管が該管の軸に沿って延在する複数のチャンネルを有する工程、
前記ガラス管を溶出し、重量で少なくとも90%のシリカを含む多孔質ガラス管を得る工程、
高密度化されたガラスを形成するために前記多孔質ガラス管を該ガラス管内の孔が崩壊するように加熱し、高密度化されたガラス管を得る工程、
前記高密度化されたガラス管を線引きし、複数のケインを得る工程、
前記ケインの積層部材を形成し、該ケインそれぞれが該積層部材内の隣接ケインと直接に接する工程、および、
前記積層部材を線引きし、フォトニック結晶ファイバを得る工程、
を含むことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ製造する方法。 A method of manufacturing a photonic crystal fiber comprising:
Expressed in terms of weight percent on the oxide basis, SiO 2 55% to 75%, 5% to 10% of Na 2 O, 20% to 35% B 2 O 3, and from 0% to 5% of Al 2 O Extruding a precursor glass material having a composition consisting essentially of 3 to obtain a glass tube, the glass tube having a plurality of channels extending along the axis of the tube;
Eluting the glass tube to obtain a porous glass tube containing at least 90% silica by weight;
Heating the porous glass tube so as to collapse holes in the glass tube to form a densified glass, and obtaining a densified glass tube;
Drawing the densified glass tube to obtain a plurality of canes;
Forming a laminated member of the cane, each of the canes being in direct contact with an adjacent cane in the laminated member; and
Drawing the laminated member to obtain a photonic crystal fiber;
A method for producing a photonic crystal fiber, comprising:
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